耿樓樞紐節制閘滲流場數值模擬分析

李新國

（河南固始縣節能監察中心 固始 465200）

1 ABAQUS有限元軟件簡介

ABAQUS是由美國HKS公司（Hibbitt,Karlsson&Sorensen,INC.）開發的一款功能非常強大的有限元分析軟件，可以分析各種固體力學、結構力學系統，特別是能夠處理非常復雜的非線性問題。ABAQUS有限元軟件主要包括ABAQUS/CAE前后處理模塊以及兩個分析模塊（ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit）。ABAQUS/CAE 是聯系其他模塊的紐帶，使用者能夠利用圖形交互界面便捷的完成幾何建模、賦予材料屬性、定義約束條件和載荷作用、劃分單元網格等操作，然后將模型提交給相應的分析模塊進行計算分析，最后在ABAQUS/Viewer中查看計算結果并進行相應的后處理。ABAQUS完整的計算分析步驟為前處理、分析計算和后處理。

2 計算模型

2.1 孔壓邊界條件

考慮孔壓邊界條件時，將建筑物的臨空面設為不透水邊界，河道邊坡及建基面設為透水邊界，并根據上下游水位的不同，設定不同的初始孔隙水壓力及初始浸潤面。

在進行滲流穩定性分析時，通過設定不同的孔壓邊界條件來對不同運行工況的水位差進行模擬，同時根據ABAQUS軟件的滲流計算流程，根據不同工況設定初始浸潤面及下游臨空面初始滲流流速，在迭代計算過程中將根據不同的孔壓邊界條件及位移邊界條件做出相應的調整來實現對閘址區三維滲流場的模擬。模擬計算工況見表1。

2.2 幾何模型

土體采用Mohr－Coulomb彈塑性模型。為了減小邊界條件對計算結果的影響，取節制閘底面為Z=0剖面，分別取Z=15.9m及Z=-18.56m為計算模型的上下邊界；取閘室上游起點處為X=0剖面，分別取X=130m及X=-304.5m為計算模型的前后邊界；取節制閘中心線為Y=0剖面，分別取Y=-165m及Y=483m為計算模型的左右邊界。對于位移邊界條件，計算模型內的所有節點采用全約束；對于孔壓邊界條件，根據工況的不同，選取不同的孔壓邊界，同時根據上下游水位的不同，設定初始假定浸潤面。

表1 模擬計算工況表

2.3 計算參數

根據勘探資料和室內試驗成果，選定了相關計算參數。為節省計算時間，提高有限元收斂速度，考慮不同土層的滲透特性，將土層分為三個大層，其中每一大層的滲透系數值均按每一小層滲透系數值和厚度采用加權平均的方法計算所得。擬選定計算參數如表2。

表2 各土層滲透系數（K）取值表

3 數值模擬結果

3.1 孔隙水壓力

工程運行期間，上下游存在水位差，從而發生滲流作用，引起滲流場內孔隙水壓力的變化。滲流場內同一垂直面上，孔隙水壓力隨著深度的增大呈線性增大。由于上下游水位差，滲流場內的同一水平面上，上游河水滲入附近區域的孔隙水壓力與下游逸出處的孔隙水壓力存在一定的差值。三種工況下該差值大小分別約為127kPa、88kPa及49kPa。

閘址區滲流場內，對于同一高程上的上下游孔隙水壓力之差，工況一最大，為13.0～14.0m；工況二次之，工況三最小，為4.0～5.0m。可見，同一高程上的河流上下游水位差越大，滲流場內上下游孔隙水壓力之差越大。

3.2 滲流流線

判定滲流場內的滲透穩定性，首先要確定土體的臨界水力梯度。根據《水工設計手冊》結合該工程土層性質，土體的臨界水力比降按照流土計算方法確定。經計算，臨界水力梯度Jcr為0.578。當逸出處的水力梯度Je＜Jcr，則土處于穩定狀態；當Je=Jcr，則土處于臨界狀態；當Je＞Jcr，則土處于流土狀態。

通過對比可知，同一高程上的上下游水位差越大，在滲透路徑長度相同的情況下，滲流逸出處的水力梯度越大。

此次分別計算了三種工況下節制閘附近X=165m、X=-15m、X=115m剖面。總體上看，從上游河水滲入滲流場內土體開始，浸潤面坡度逐漸變緩，上游的水力梯度比下游的水力梯度要大，滲流逸出處水力梯度略小于整個剖面上的平均水力梯度。計算中，由于滲流逸出處的水力梯度較難界定，從工程安全角度考慮，取水流在整個剖面上的滲流平均水力梯度作為滲流逸出處水力梯度。綜上分析，整個樞紐不存在滲透穩定問題。

3.3 滲流流速

土體內發生滲流時，水力梯度越大，滲流流速越大，流線越密集。由于建筑物兩側土體滲透性大于閘址區底部的土體滲透性，閘底滲流量占總滲流量的比例較小，三種工況下大致相同，僅為7%左右，滲流形式主要為繞閘滲流。在船閘與節制閘之間的分流島附近，滲流流速較大，流線較為密集。工況一滲流流速最大，流線最密集，工況二次之，工況三最小。工況一分流島靠近河流上游附近滲流流速最大，為0.523m/d，工況三船閘靠近河流下游附近滲流流速最小，為3.083×10-10m/d。

3.4 滲流流量及滲透壓力

為了更直觀地反映滲流場內關鍵區域的滲流穩定性，對關鍵剖面的滲流流量進行了統計，某剖面的滲流流量，即為該剖面的平均滲流流速與剖面面積的乘積。

通過計算結果可見，三種工況下的滲流流速、滲流流量及滲透壓力在滲流場內的分布規律是大體一致的。工況一滲流場內的滲流流速、滲流流量及滲透壓力最大，工況二滲流場內的滲流流速約為工況一的68.7%，工況三的滲流場內滲流流速及滲流流量最小，為工況一的37.4%，為工況二的54.4%。滲透壓力與水力梯度成正比，水力梯度越大，滲流流速越大，滲流流量越大，滲透壓力也就越大。

4 結論

依據工程地質、水文地質條件，通過對該工程滲流穩定性的分析與評價，結論如下：

（1）計算結果符合達西定律的基本規律，水力梯度越大，滲流流速越大，滲流流量也就越大，滲透壓力越大。滲流流速在第一種工況下最大，第二種工況下次之，第三種工況下最小。各工況下閘址區滲流場內土體是穩定的，能夠滿足建筑物結構安全方面的要求。

（2）上下游河水位差越小，下游逸出處的水力梯度越小，土體滲流穩定性就越好；反之亦然。因此，工況三閘址區內滲流穩定性最好，工況二次之，工況一最差。閘址區內的滲流場中，船閘與節制閘間的護堤附近安全系數工況一為3.928，工況二為5.728，工況三為10.509；三個工況下均滲透穩定。

（3）三種工況下船閘和節制閘附近滲流逸出處的水力梯度均小于水力梯度容許值；盡管船閘與節制閘之間的分流島附近區域及節制閘左右兩岸土體附近區域安全系數相對較小，但是仍然滿足規范安全系數要求。

（4）該工程滲流方式主要為繞閘滲流，三種工況下繞滲流量所占總滲流量的比例大致相同，約為93%